Rozwój współczesnego przemysłu, w tym idei Industry 4.0, wspierany jest przez właściwe źródła energii elektrycznej. Nowoczesne źródła zasilania, dedykowane konkretnemu urządzeniu, zapewniają szeroki zasięg stosowania i pracę w każdych warunkach.

pakiety bateryjne i akumulatorowe projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych zrodel zasilania dla przemysluFot.Globalne zapotrzebowanie na ogniwa Li-Ion, zaleznie od segmentu rynku.

Zapotrzebowanie na źródła zasilania znacząco rośnie, w skali globalnej odnotowując 2-cyfrowe wskaźniki wzrostu. Wynika to z dużej ilości nowych aplikacji elektrycznych i elektronicznych dla przemysłu i rynku urządzeń konsumenckich, jak również z rosnących wymagań użytkowników w zakresie funkcjonalności i czasu pracy. Skutkuje to zwiększeniem pojemności/energii układu zasilania, co okazuje się być kluczowe dla tempa wzrostu zapotrzebowania na ogniwa zasilające. Średnia roczna dynamika rynku jest szacowana na ~18%-20% do roku 2025 (zależnie od segmentu rynku).

Rosnący rynek aplikacji elektronicznych napędza rozwój systemów zasilania

Główni „gracze” na rynku to elektronika powszechnego użytku; napędy elektryczne (rowery, skutery, szczególnie samochody elektryczne); urządzenia profesjonalne, takie jak elektronarzędzia; urządzenia pomiarowe, zdalnej identyfikacji (np. RFID); oraz instalacje magazynowania energii, często w połączeniu z farmami słonecznymi lub wiatrowymi. Warto zauważyć, że od roku 2017 ilość energii zainstalowanej w samochodach elektrycznych przewyższyła ilość energii w elektronice konsumenckiej i stale rośnie. Wszystkie te aplikacje potrzebują systemów magazynowania energii. Wzrost jest wykładniczy i w niedługim czasie gospodarka światowa może doświadczyć ograniczeń w dostępności surowców naturalnych niezbędnych do produkcji ogniw zasilających. W szczególności dotyczy to najszybciej rozwijającej się technologii litowo-jonowej. Od kilku lat koncerny światowe inwestują w segment zasilania wiele miliardów dolarów, rezerwując dostępność surowców i mocy produkcyjnych na okres co najmniej do roku 2030.pakiety bateryjne i akumulatorowe projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych zrodel zasilania dla przemyslu2

Technologie zasilania, kwestia zapewnienia bezpieczeństwa systemów zasilania

Technologie zasilania przenośnego stosowane w przemyśle to głównie 7 systemów elektrochemicznych:

  • pierwotne (nieładowalne), oparte o ogniwa cynkowo-węglowe lub cynkowo- -chlorkowe 1,5 V; ogniwa alkaliczne 1,5 V; litowe 1,5 V, 3,0 V i 3,6 V oraz srebrowe 1,55 V. Istnieją też inne systemy chemiczne, mniej popularne i nie stosowane masowo. 
  • wtórne (ładowalne), stosujące technologie kwasowo-ołowiową 2, 6 i 12 V; niklową (niklowo-wodorkowe Ni-MH i niklowo-kadmowe Ni-Cd; o napięciu 1,2 V) i technologie oparte na licie (litowo- jonowe LCO, NMC i NCA o napięciu 3,6-3,7 V; LFP o napięciu 3,2-3,3 V oraz LTO o napięciu 2,3-2,4 V; różniące się pierwiastkami stosowanymi do produkcji materiałów aktywnych elektrod [anody i katody]). Również dla ogniw ładowalnych są inne specjalistyczne technologie, z ograniczeniami dostępu (np. produkty dla przemysłu kosmicznego lub zbrojeniowego).

Nowoczesne aplikacje cechuje coraz większa energooszczędność, jednak rosnące wymagania, co do funkcjonalności i autonomii działania, powodują wzrost zapotrzebowania na energię. Trwa intensywny rozwój systemów elektrochemicznych, jednakże w skali najbliższych 10 lat liczyć się będą wysokoenergetyczne technologie oparte o lit – pierwiastek lekki i posiadający duży potencjał magazynowania energii. Najlepsze litowe ogniwa pierwotne (nieładowalne) charakteryzują się gęstością energii na po- Pakiety bateryjne i akumulatorowe Projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych źródeł zasilania dla przemysłu Rozwój współczesnego przemysłu, w tym idei Industry 4.0, wspierany jest przez właściwe źródła energii elektrycznej. Nowoczesne źródła zasilania, dedykowane konkretnemu urządzeniu, zapewniają szeroki zasięg stosowania i pracę w każdych warunkach. ziomie do 680 Wh/kg, a litowo-jonowe ogniwa wtórne (ładowalne) to maksimum 265 Wh/kg. W najbliższych kilku latach spodziewany jest przełom technologiczny i wprowadzenie na masowy rynek akumulatorów litowo-jonowych o elektrolicie stałym, w których gęstość energii powinna wzrosnąć o 40-50%. Równolegle prowadzone są prace nad zastosowaniem innych pierwiastków (np. magnez) oraz dodatków w systemie elektrochemicznym, zwiększających pojemność elektryczną (np. krzem) oraz stabilność chemiczną. Zakłada się teoretyczną możliwość 3- lub 4-krotnego wzrostu energii właściwej, do poziomu ~800 Wh/kg. Wysoka energia, będąc niewątpliwie zaletą, stwarza także naturalne niebezpieczeństwo. W przypadku zbyt szybkiego i niekontrolowanego jej uwolnienia możemy mieć do czynienia z uszkodzeniami, a nawet zapłonem. Nie należy jednak winić o to technologii litowych czy ich następców. Jest to naturalny proces fizyczny, ponieważ duże nagromadzenie energii tworzy potencjał szybkiego jej uwolnienia. Na początku ery pojazdów spalinowych przypadki pożarów benzyny były częste. Osiągnięcie poziomu bezpiecznego użytkowania paliw płynnych zajęło przemysłowi pół wieku, a wypadki zapłonu w przypadkach awaryjnych zdarzają się do dziś.

pakiety bateryjne i akumulatorowe projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych zrodel zasilania dla przemyslu4Fot. 2. Powyższe zdjęcia pokazują przykłady pojedynczych ogniw, z których projektowane są złożone systemy zasilania o różnych parametrach i funkcjonalnościach.

Proces doboru i projektowanie systemów zasilania

Ze względu na dużą energię zawartą w ogniwach, projektowanie wysokoenergetycznych systemów zasilania musi być traktowane jako proces złożony. Konieczna jest analiza 6 kluczowych aspektów:

  • Parametry elektryczne systemu: pojemność elektryczna lub energia; napięcie elektryczne; przewidywane prądy lub moc pracy; w przypadku systemu ładowalnego prądy i moc również przy ładowaniu.
  • Zaprojektowanie układów elektroniki zabezpieczającej pracę ogniw w trybach ładowania, rozładowywania, transportu, uśpienia-magazynowania. Bezwzględna konieczność zaprojektowania BMS (Battery Management Systems), wyposażenie go w funkcje dodatkowe, np. komunikacja pakietu zasilania z urządzeniem i/lub bezpośrednio z użytkownikiem (np. poprzez bluetooth do smartfona). W większości przypadków konieczne jest napisanie wbudowanego oprogramowania (embedded firmware), które będzie zainstalowane w procesorach nadzorujących pracę zasilania.
  • Parametry mechaniczne: wielkość, masa, wytrzymałość na naprężenia, uderzenia i wibracje, poziom szczelności, zapewnienie odpowiedniego kształtu układu ogniw wewnątrz urządzenia, trwałość konstrukcji (np. sztywność), zaprojektowanie systemu mocowania w urządzeniu, itp. 
  • Analiza temperaturowych warunków pracy (mają duże znaczenie dla poprawnego funkcjonowania i bezpieczeństwa 
  • chemicznych systemów zasilania), jak również aspekty zarządzania energią cieplną wytwarzaną podczas pracy i/lub ładowania systemu. Należy mieć na uwadze, że przegrzanie jest zawsze szkodliwe. W przypadku łagodnym przyspiesza starzenie, w przypadku drastycznym może prowadzić do zapłonu.
  • Wymagana żywotność systemu, zarówno kalendarzowa jak cykliczna (liczba cykli ładuj-rozładuj). Żywotność dla wielu aplikacji to wiele lat. Urządzenia pomiarowe często wymagają projektowanej żywotności 10 lat lub dłużej, podobnie jak zasilanie przemysłowe i branża automotive. Zależnie od aplikacji może to być żywotność z ciągłą pracą bardzo małymi prądami (mA) albo wiele tysięcy cykli ładowania-rozładowania o założonej głębokości pracy (DOD – Depth Of Discharge). „„ Certyfikacje/przepisy prawne. Systemy zasilania podlegają ścisłym regulacjom prawnym w kilku zakresach: bezpieczeństwo transportowe (UN38.3.), przepisy dla urządzeń elektrycznych (UE: znakowanie CE, jeżeli obowiązuje ze względu na parametry urządzenia), przepisy szczegółowe różnych krajów (różnią się bardzo między sobą, przypadki szczególnie trudne to Rosja, Chiny i Brazylia, bez spełnienia specyficznych przepisów tych krajów nie ma możliwości wprowadzenia na te rynki żadnego urządzenia, a proces certyfikacji musi odbywać się w tychże krajach). Kolejne obowiązki certyfikacyjne wynikają z wymagań rynku, a są to najczęściej certyfikacje na normy IEC62133 ed.2 i standardy UL, prowadzone wg procedur CB-Scheme, systemu światowego nadzoru nad procesem certyfikacji.
pakiety bateryjne i akumulatorowe projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych zrodel zasilania dla przemyslu5Fot. 4. Zapłon (widoczny dym) ogniw Li-Ion w zestawie akumulatorowym zasilania pomocniczego samolotu. Źródło: https://www.scientificamerican.com/article/how-lithium-ion-batteries-grounded-the-dreamliner/

Analiza powyższych aspektów jest kluczem do poprawnego doboru źródła zasilania. Takiego, który spełni oczekiwania urządzenia, zapewni wymaganą żywotność i będzie stuprocentowo bezpieczne dla użytkownika. Szczególnym aspektem jest zapewnienie całkowitego bezpieczeństwa systemu. Proces ten musi rozpoczynać się już od etapu tworzenia założeń technicznych projektu i być konsekwentnie realizowany w fazie projektowania produktu końcowego. Praktyka w przemyśle pokazała, że zapewnienie bezpieczeństwa jest możliwe wyłącznie przy zastosowaniu podejścia całościowego: do systemu zasilania, do urządzenia, w którym jest stosowane, do warunków eksploatacji i ładowania. Nawet najlepsze i bezpieczne ogniwa nie zapewnią bezpieczeństwa złożonego systemu z nich zbudowanego. Dowodzi tego przykład baterii zbudowanej dla samolotu Dreamliner, złożonej z najlepszych ogniw Li-Ion. W dużym systemie nie zostało prawidłowo przewidziane zarządzanie ciepłem wydzielanym przez akumulatory. Dla pojedynczej sztuki nie stanowi to niebezpieczeństwa przegrzania i zapłonu, dla większego systemu już tak.

Projektowanie optymalnego procesu produkcji pakietów zasilania, w oparciu o nowoczesne technologie planowania i produkcji oraz systemową kontrolę jakości, z zapewnieniem efektywności procesu i możliwie niskiej ceny produktu końcowego

Całościowa analiza wymagań klienta, co do projektowanego systemu zasilania, jest prowadzona przez wyspecjalizowane zespoły inżynierów: 

  • mechaników i elektryków tworzących koncepcję rozwiązania
  • elektroników projektujących część hardware systemów zarządzania pracą akumulatorów
  • elektroników tworzących oprogramowanie wbudowane typu firmware do elektroniki sterującej
  • inżynierów elektryków-integratorów źródeł zasilania z urządzeniem/odbiornikiem energii elektrycznej
  • inżynierów w laboratorium testujących poprawność projektu i przygotowujących proces certyfikacji.

Dzięki pracy rozbudowanego zespołu fachowców, projektowanie rozwiązania i późniejszego procesu produkcji odbywa się według zasad Lean Management i prowadzi do powstania najbardziej optymalnego kosztowo produktu, z zachowaniem wysokiej jakości. Całość potwierdzona jest kompletną dokumentacją, prowadzoną od koncepcji poprzez poszczególne etapy i podzespoły, aż do produktu finalnego i uzyskania odpowiednich certyfikatów. Kolejny etap to planowanie i optymalizacja procesu produkcyjnego danego źródła zasilania. W celu uzyskania możliwie niskiej ceny produktu kluczowa jest efektywność procesu, która powinna podlegać analizie już we wstępnej fazie projektowania produktu. Wpłynie to również na odpowiednią szybkość produkcji. Należy zaprojektować linię produkcyjną, osprzęt pomocniczy oraz skuteczny plan kontroli jakości. W procesie kontroli kluczowy jest aspekt pewności i bezpieczeństwa źródeł zasilania, szczególnie w kontekście ich coraz większych energii. Równolegle budowana jest baza podzespołów oraz dostawców zapewniających dobrą jakość i możliwie korzystne ceny. Doświadczenie i wieloletnie kontakty zespołu zaopatrzenia znacznie wspomagają osiągnięcie założeń kosztowych i dostaw na czas. Obecnie czas dostępności ogniw w technologiach litowych na rynku światowym jest bardzo długi. W celu zapewnienia ciągłości produkcji fabryki światowe wymagają planowania z wyprzedzeniem minimum 1 roku, dla najbardziej poszukiwanych modeli na rynku są to 2 lata (!).

pakiety bateryjne i akumulatorowe projektowanie i produkcja bezpiecznych i niezawodnych zrodel zasilania dla przemyslu7Fot. 7. Hala produkcyjna assemblingu systemów zasilania, z liniami produkcyjnymi przystosowanymi do szybkiego przezbrajania,zaleznie od projektu

Podsumowanie

Dynamicznie rozwijający się rynek elektroniki oraz napędów elektrycznych, szybki postęp technologiczny i rosnący popyt na inteligentne urządzenia to główne czynniki napędzające wzrost. Silne regulacje rządowe (np. Chiny) w zakresie korzystania z pojazdów elektrycznych w celu zmniejszenia zanieczyszczeń to kolejne ważne czynniki wzmacniające wzrost popytu. Prognozowany wykładniczy wzrost rynku to szansa dla producentów układów zasilania, ale również niebezpieczeństwo niewydolności tej gałęzi gospodarki albo doprowadzenie do sytuacji wyczerpania niektórych surowców naturalnych (np. kobalt). Kolejny aspekt to bezpieczeństwo układów zasilania. Rosnąca energia ogniw, konieczność precyzyjnego nadzoru ich pracy i systemowego podejścia do projektu stanowią barierę wejścia na rynek zasilania przez mniej doświadczonych oferentów. Pójście jednak drogą „na skróty” może mieć tragiczne skutki, z pożarami i obrażeniami użytkowników włącznie. Powyższe względy oraz ograniczenie dostępności surowców strategicznych stanowią zagrożenia dla szybkiego rozwoju branży zasilania na świecie.

Mgr inż. Krzysztof Lubianiec
Business Development Partner
Wamtechnik Sp. z o.o.
(www.wamtechnik.pl)